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燃料電池車の開発状況
招待論文 燃料電池車の開発状況 Present Stage of Fuel Cell-powered Automobile Development トヨタ自動車株式会社 中 村 徳 彦 Norihiko Nakamura となってから応用範囲が広がり急激に発展してきた。 1．はじめに 1 はじめに 固体高分子形（PEM型）燃料電池は出力密度に加えて 21世紀を迎え，次世代の自動車用原動機として，燃料 冷却水温度も従来の内燃機関に近く，熱バランスも従来 電池が世界中で注目を集めているが，ここではトヨタ自 の自動車に近く扱いやすいので，将来の自動車用原動機 動車の燃料電池車の開発状況，燃料電池から車両，燃料 として熱い注目をあびている。 インフラについて説明したい。 表-1 燃料電池の種類 Table 1 Types of Fuel Cells 2．燃料電池車の位置付け 燃料電池車の位置付け 2 アルカリ形 固体高分子形 リン酸形 溶融炭酸塩形 固体酸化物形 （AFC） （PEFC） （PAFC） （MCFC） （SOFC） 電解質 KOH 高分子膜 H3PO4 Li2CO3＋K2CO3 ZrO2 イオン導電種 OH− H＋ H＋ CO2− 3 O2− ガス，電気自動車までの広い技術についてチャレンジし 燃料ガス 水素/酸素 改質ガス/ 空気 改質ガス/ 空気 改質ガス/ 空気 改質ガス/ 空気 ている。その中でもプリウスに代表されるハイブリッド 運転温度 常温 80℃ 200℃ 650℃ 1000℃ 技術は燃費向上，排気低減に大きな効果が有り，全ての 主な用途 宇宙 自動車、 ポータブル コジェネ、 分散電源 電力事業 コジェネ、 分散電源 図-1は環境問題に対応するトヨタの全貌を示している。 ガソリン，ディーゼルエンジンの改良はもとより，天然 パワートレーンに適用可能な技術である。トヨタではこ のハイブリッド技術と燃料電池を組み合わせ，最も究極 燃料電池自動車用に活発に研究開発中 のエコカーに近い技術としてFCHV（Fuel Cell Hybrid 燃料電池の作動原理を図-2に示す。燃料の水素はアノー Vehicle）を開発している。 ド触媒上でプロトンと電子に分かれ，プロトンは薄い固 究極のエコカー 体高分子の電解質膜を通ってカソード側に流れる。電子 は外部でモーター等を回して仕事をした後カソード側に 燃料電池 ハイブリッド車 流れる。一方カソード側には空気中の酸素が供給され， THS 三者はカソード触媒によって反応し水を生成する。全体 Hybrid Technology の反応式は水素と酸素1/2モルから水1モルが生成すると D-4 CNG Diesel DI Lean Burn EV ギーの効率は VVT-i 代替 エネルギー ディーゼル エンジン 図-1 ガソリン エンジン 電気 自動車 ∆G／∆H＝83％（水素の場合） トヨタのエコカーへの取り組み Fig.1Toyota's concept for CO2 reduction 3 云う大変簡単な式になる。この時に得られる電気エネル ∆G：ギブスの自由エネルギー ∆H：エンタルピー 3．燃料電池（種類，原理，構造） 燃料電池（種類、原理、構造） 各種燃料電池の特質を表-1に示す。燃料電池の原理は古 となり，カルノーサイクルの制約を受ける事が無いので 従来の熱機関に比べると著しく高い効率が可能である。 くからグローブ卿によって発見され，効率の高さから 又，燃焼に伴う排気ガスが生じないので，大変クリーン 種々の開発が進められてきたが，容積の割には出力が小 であるのが大きな特徴である。 さく，主として定置用として開発されてきた。しかし近 年高分子膜が電解質として着目され，小型軽量化が可能 3 富士通テン技報 Vol.20 No.2 力電圧は1V以下と低いため，これを数百セルシリーズに モータ等 ee水素 （H2） H22 アノード 触媒 1. 反応式 タックと呼んでいる。通常，燃料電池と云うのは，この 電解質膜 H+ H+ 重ねて使用するが，パッケージにしたものを燃料電池ス 電気 O22 H22O カソード 触媒 空気 （O2） スタックアッセブリを示している。 電解質膜，触媒の成分に加え，セパレータの構造，ス 水 （H2O） タック方法等に各社のノウハウがある。 図-4は燃料電池スタックの出力密度の向上を示したもの である。燃料電池が米国ジェミニ衛星に使用された当時 アノード：H2→2H+＋2eカソード：1/2 O2＋2H+＋2e-→H2O 全 体：H2＋1/2 O2→H2O から比べると，この近年の出力向上は驚く程でガソリン エンジンの出力密度を超えつつある。将来は大変コンパ クトな燃料電池が出現し，車のパッケージまで大きく変 2. 理論効率 ∆G/∆H＝83%（水素） 図-2 化する可能性がある。 燃料電池の作動原理 Fig.2 Principles of Fuel Cell Operation Ballard 図-3はPEM型燃料電池の構造を示したものである。電 解質膜と触媒は2枚のセパレータによって挟まれている。 各々のセパレータには水素の通路と空気の通路が切って あり，ガスの拡散と反応で生成した水の排出を行ってい る。この1組の燃料電池をセルと呼んでいる。1セルの出 kW/L ガソリン エンジン 出 力 1.0 密 度 自動車用 開発本格化 Gemini衛星 空気 0 1960 積 層 電 流 GM GM 1.5 0.5 燃料電池スタック 燃料電池（単セル） 2.0 1970 年 1990 触媒 図-4 セパレータ 燃料電池の高性能化 Fig.4 Improved Fuel Cell Capabilities 水 図-3 燃料電池の構造 Fig.3 Fuel Cell Structure FCHV-4 1992：燃料電池車の開発着手 FCHV-3 FCHV-5（燃料改質FC車） 燃料：水素（高圧） 航続距離：250km 最高速：150km/h 燃料：水素（吸蔵合金） 航続距離：300km 最高速：150km/h 燃料：CHF（クリーンガソリン） （CHFから水素に改質） 家庭用FCコジェネシステム MOVE FCV-K-Ⅱ トヨタFCスタック 貯湯槽 FCHV-BUS2 燃料：水素（高圧） 本体 燃料：水素（高圧） 乗車定員：60人 最高速：80kw/h 図-5 トヨタの燃料電池技術 Fig.5 Toyota's Fuel Cell Technology 4 2000 出典：トヨタ 資料、General Motors data、IFC data Ballard Power Systems Inc 資料 De Nora 資料 服部正策 編、燃料電池/電気自動車、横川書房（'73.5） 水 素 電解質膜 1980 燃料：天然ガス 出力：1kw 2010 燃料電池車の開発状況 4．トヨタの燃料電池車 4 図-7にFCHV-4のハイブリッドシステムのコンポーネン トヨタの燃料電池車 ト配置を示す。FCスタック，パワーコントロールユニッ 図-5にトヨタの燃料電池を使った車両を示す。 ト，駆動モーターをエンジンルーム内に納め，高圧水素 FCHV-3・4・5は水素の貯蔵法によって分類した車だ タンクと2次電池をリヤの床下に置くことにより，乗員ス が，燃料電池は基本的に同じ仕様である。日野自動車， ペース，カーゴスペースをベース車両と全く同じにする ダイハツ工業とも協力しつつ，大型都市バスと軽自動車 ことができた。 についても燃料電池車を開発している。 図-8はFCHV-4のエネルギー効率を示している。トータ 他に応用として家庭用の1kWコジェネシステムをアイ ルエネルギー効率を計算するためには，原油（燃料）の シン精機と共同で開発している。トヨタの燃料電池車の 井戸から車の走行までを総合して考える必要がある。原 特徴はハイブリッド技術を採用していることである。 油を採掘し，輸送，精製してガソリンを製造し，それを サービスステーションに配って車のタンクに供給するま 5．トヨタのハイブリッド技術 トヨタのハイブリッド技術 での燃料効率は88％程度と言われている。つまり原油の 図-6はプリウスのハイブリッドシステムとFCHV-4のハ ガソリン車の10-15モード運転時の代表的な車両効率は 5 12％のエネルギーが途中のプロセスで失われてしまう。 イブリッドシステムを比較したものである。エンジンを 16％であり，総合効率（Well to Wheel）は14％になる。 燃料電池に置き換えているので，電気―電気の組み合わ 燃料効率 車両効率 Well to Tank Tank to Wheel (%) (%) せとなり，ハイブリッド化はプリウスより容易である。 ガソリン車 FCHV-4 プリウス プリウス （ガソリンＨＶ） 高圧水素 FCV 88 16 88 30 トヨタ燃料電池ハイブリッド車 20 パワーコントロール ユニット 2次電池 30 40 14% 26% 22% 58 29% 50* HV制御有 42% 70 60 3 x ガソリン車, , 1.5 x HV 燃料電池 (Fuel Cell) エンジン 2次電池 FCHV （目標） 10 38* FCHV-4 ハイブリッド車（プリウス） 総合効率 Well to Wheel (%) 0 10-15モード トヨタ試算 ＊電流法による パワーコントロール ユニット 図-8 FCHVの総合効率 Fig.8 Well to Wheel Efficiency モータ モータ プリウスに代表されるハイブリッド車の場合は，燃料 効率は88％で同じだが，車両効率が約2倍に改良され，総 図-6 トヨタのハイブリッド技術 合効率も約2倍の26％になる。燃料電池車FCHV-4の車両 Fig.6 Toyota's Hybrid Technology 効率は，ハイブリッドの効果もあってガソリン車の3倍以 パワーコントロールユニット 高圧水素タンク ２次電池 上の50％に達するが，天然ガスを改質して水素を製造す る効率が現時点では低く約58％と言われており，総合効 率は29％にとどまり期待した程良くない。 燃料電池，水素のような新しい技術を導入するのであ ればWell to Wheelの総合効率でガソリンエンジンの3倍 以上にする必要があると考えている。このためには車両 FCスタック モータ 効率も現在より更に向上させ60％以上を，水素を造る効 率も70％程度に高める必要がある。水素は種々の一次エ ネルギーから製造が可能であり，70％は達成可能であろ うと思われる。 図-7 FCHVシステムのコンポーネント Fig.7 FCHV System Components 5 富士通テン技報 Vol.20 No.2 損なわれてしまう。単純にして大変やっかいな問題であ 6．水素燃料 6 水素燃料 る。研究室では問題にもならなかったことが実用には大 図-9は各種水素製造方法について示したものである。現 きな障害になる例である。 在は石油，天然ガス，電気からの製造が主流だが，将来 e- 電気 は太陽光，バイオ等のCO2フリーのエネルギー源からの製 造も期待されている。また日本では製鉄所，化学工場等 空気 （O2） e- 水素 H22 O22 H+ から多量の副生水素が発生しており，それを利用するこ 水 H22O H+ とも現実性がある。 水素の供給は多様（原油のみに依存しない） 生成される水が凍結 太陽光 / バイオ / 原子力 CO2 固定装置 タンクローリー 副生ガス 水素 低温起動が大きな課題 図-10 水素ステーション 石炭 石油 水素貯蔵タンク パイプライン 低温試験 Fig.10 Low Temperature Performance 液体燃料 パイプライン 天然ガス 水素 M FC 水素 図-11に水素の貯蔵技術を示す。FCHV-4は1kgの水素で 水素 製水 造 機素 約100km走行出来るので，充分な航続距離を確保する為 には5kg以上の水素を貯蔵する必要がある。これは気体の 電気 高圧送電線 水素ＦＣ車 場合には体積にすると56m3になり，高圧タンクでも容積 が大きくなり過ぎて車に搭載は困難である。水素吸蔵合 図-9 将来の水素社会 Fig.9 Image of Hydrogen Infrastructure 金タンクは容積を小さく出来るが，金属粉であるために 重量が大きな障害になる。液体水素タンクは小型・軽量 に出来るが，-253℃の液体水素は蒸発し続けるので，乗用 7 7．市場導入に向けた課題 市場導入に向けた課題 燃料電池車を市場へ導入する場合の課題を表-2にまとめ 車のような使い方では安全性も含めて実用化は困難であ ろう。カーボンナノチューブ，ケミカルハイドライド等 の新技術の出現が期待される。 た。車用として一般に普及させるためには，解決しなけ ればならない課題が未だ山積している。この中で燃料電 高圧水素タンク 水素吸蔵合金タンク 液体水素タンク 重量 蒸発（ボイルオフ） 池車に特有な低温，航続距離について説明したい。 表-2 市場導入へ向けた課題 Table 2 Issues for Market Introduction 1. 環境適合性 低温、高温、高地、電波障害、粉塵 雨、雪、塩水、温泉地（硫化水素）等 2. 安全性 水素、高電圧、衝突 3. 経済性 コスト（貴金属低減）、ランニングコスト 4. 航続距離（水素貯蔵技術） 5. 信頼性・耐久性 6. サービス性 7. リサイクル 触媒、スタック 図-10にFCHV-4の低温試験の様子を示す。燃料電池は 原理上発電すると必ず水が生成され，この水は物理法則 に伴い0℃以下では凍る。従って-10℃，-20℃で燃料電池 車を始動すると生成した水が，あちこちで凍り，機能が 6 課題； 容積 ケミカルハイドライド （NaBH4） カーボンナノチューブ 拡大 課題； 真の実力は? 図-11 回収／リサイクル 水素貯蔵技術 Fig.11 Hydrogen Storage Technology 燃料電池車の開発状況 8．燃料電池車の普及に向けて 8 燃料電池車の普及に向けて 図-12に燃料電池車の普及の予想ロードマップを示す。 図-14は長期的に見た世界的レベルでの燃料電池車の普 及イメージである。トータルコストが内燃機関と同等に なるまでは，本格的な普及にはならないだろう。その時 本格的な普及の始まりは2010年以降になるものと予想さ 期は2020年前後になると思われるが，クリーンでエネル れ，それ以前は主としてメーカー間の技術競争の時代に ギー効率の高い燃料電池車は必ず将来の豊かな車社会を なると思われる。 実現してくれるものと信じつつ，日夜の開発に邁進して 行きたいと思っている。 コスト､商品力競争の時代 技術競争の時代 水素燃料コスト + 燃料電池コスト インフラ整備もポイント 内燃機関車 Step Ⅲ FCHV普及 7.4億台 Step Ⅱ StepⅠ フリートユーザー （大都市域） デモ､限定導入 '01 '05 図-12 内燃機関HV '10 '20∼30 内燃機関燃料コスト + 内燃機関コスト 燃料電池車普及の予想ロードマップ Fig.12 Forecast of FC Vehicle Market Introduction 2000 20X0 図-14 燃料電池車の普及に向けた課題を図-13に示す。自動車 燃料電池車 世界の燃料電池車普及イメージ Fig.14 Image of the Global Commercialization of FC Vehicle メーカーのみならず，国，他の産業界，更には日本全体 の水素エネルギー社会に対するコンセンサスが不可欠に なる。 ◆燃料電池システム 水素貯蔵、改質器... コスト, 耐久性, 信頼性... 内燃機関HVよりも魅力的な 商品であること ◆燃料電池車用燃料 燃料の選定, インフラ整備... 自動車メーカーによる 自主開発（競争） 国、燃料業界等との 協力・協調が必須 ◆法規の整備, 標準化 ◆水素エネルギー社会の醸成 図-13 社会的啓発活動 官民の協力が必要 燃料電池車の普及に向けた課題 Fig.13 Challenges for market penetration of FCVs 社外執筆者紹介 中村 徳彦 （なかむら のりひこ） 1965年トヨタ自動車株式会社入 社。 ガソリンエンジン・ディーゼル エンジン開発に従事しその後， 燃料電池開発業務に従事。 現在，技監。 7